真北方位基準標定與慣導(dǎo)測試設(shè)備引北技術(shù)

張耀民

(西安科技大學(xué)，西安 710054)

0 引言

慣導(dǎo)產(chǎn)品在生產(chǎn)、測試、維修、使用的各個環(huán)節(jié)中，需要對其真北方位進行標校。通常需要在室內(nèi)建立真北方位基準，并把真北方位引入到測試設(shè)備[1]。

根據(jù)需求，真北方位基準一般需要精確到1″～20″精度。由于室內(nèi)定向場所空間大小的限制，需要采用特殊的工業(yè)測量方法進行定向才能滿足精度要求。把室外方位傳遞到室內(nèi)，如果采用傳統(tǒng)的兩點一線的測量方法，測量儀器對中誤差哪怕只有0.1mm，則5m的傳遞距離可引起的方向誤差高達4″。即便采用強制對中措施，這樣尚需要建造儀器觀測臺，既費工，也存在對中誤差，而且傳統(tǒng)觀測手段在室內(nèi)還存在較大的調(diào)焦誤差[2]。

目前涉及慣導(dǎo)產(chǎn)品和測試設(shè)備標校的室內(nèi)真北基準論文尚不多見[3-6]。發(fā)表的論文主要側(cè)重于利用天文定向方法建立用于陀螺經(jīng)緯儀常數(shù)標定的室內(nèi)外基準[7-10]，其方位傳遞基本采用一站式天文定向方法或者分別觀測轉(zhuǎn)折角的方位傳遞方法，這種方法很難保證直接高精度傳遞到室內(nèi)基準上；對于精度要求不高的真北基準標定和設(shè)備引北則采用陀螺經(jīng)緯儀定向方法[11-12]以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)定向方法[2,13-15]。

文獻[7]報道了用天文定向方法建立用于陀螺經(jīng)緯儀常數(shù)標定的真北方位基準項目情況，一二期結(jié)果互差35″，其變化異常；文獻[8]研究設(shè)計了陀螺經(jīng)緯儀室內(nèi)外真北基準檢測方法，并通過聯(lián)測比對了室內(nèi)外基準互差，不過未見施加子午線收斂角改正，若改正反而會超限；文獻[9]報道了在原有的室外基線場建立真北方位基準，采用了平行光管作為過度目標，觀測過程中光管也會變化，而把平行光管對準目標點的過程中還需要調(diào)焦，使得視準線也發(fā)生了變化，另外采用天文定位方法獲取天文經(jīng)緯度的方法對于觀測北極星進行天文定向是沒有必要的；文獻[13]利用傳統(tǒng)方法布測了GNSS網(wǎng)和三角網(wǎng)，建立了室內(nèi)真北基準地標，采用延伸轉(zhuǎn)臺軸線的方法進行了轉(zhuǎn)臺引北，屬于傳統(tǒng)兩點一線的方法，精度低且工作量大。

因此，本文主要探討了有關(guān)室內(nèi)真北方位基準的建立和標定、慣導(dǎo)測試設(shè)備引北的高精度實用技術(shù)和方法，例如基于雙測站的天文定向、基于同步網(wǎng)的GNSS定向、高精度經(jīng)緯儀對向觀測方法等，這些技術(shù)已在筆者20年來所完成的上百個此類項目中得到成功運用。

1 真北方位基準的維持與建立

為了慣導(dǎo)設(shè)備引北以及產(chǎn)品標校，一般需要在室內(nèi)建立真北方位基準臺，并在真北方位基準臺上設(shè)置基準平面鏡(精度高)、直角棱鏡(維持精度有限)或者平行光管(適用非準直儀器)，以便維持真北方位基準。真北方位基準臺布設(shè)位置應(yīng)方便觀測和方位傳遞，且方位傳遞導(dǎo)線盡量不要超過2站。室外經(jīng)緯儀能觀測到的天體如北極星；室內(nèi)外經(jīng)緯儀能通過門或者窗戶甚至玻璃相互通視；室內(nèi)經(jīng)緯儀能觀測到基準鏡面。

圖1所示為一個典型的真北方位基準標定和轉(zhuǎn)臺引北布測方案示意圖。

常見的慣導(dǎo)產(chǎn)品測試設(shè)備有：真北方位標定平臺，單軸轉(zhuǎn)臺、雙軸轉(zhuǎn)臺和三軸轉(zhuǎn)臺。慣導(dǎo)產(chǎn)品則通過固定托架、靠塊或者定位銷固定在測試設(shè)備上。在設(shè)備軸端和產(chǎn)品基面可以安裝用于設(shè)備引北的引北鏡。利用真北基準，通過測定引北鏡的法向方位可以確定轉(zhuǎn)臺的零位置的真北方位設(shè)定參數(shù)和產(chǎn)品框架相對于轉(zhuǎn)臺的定向參數(shù)，這個過程即為設(shè)備引北。

2 真北方位基準標定方法

真北方位基準標定方法可根據(jù)精度要求選擇采用天文定向、GNSS定向或是陀螺經(jīng)緯儀定向方法。

2.1 雙測站天文定向

建立高精度真北方位基準時，通常采用天文定向方法確定真北方位。根據(jù)精度要求可以選擇觀測北極星等恒星，以及行星、太陽、月亮等觀測目標。在我國一般選擇觀測北極星可以獲得最佳的天文定向精度，而天文觀測一般需要在晴朗的夜晚進行觀測。圖2所示為基于雙測站的天文定向方法，這種方法一般可滿足室內(nèi)基準高達±0.5″(我國大地天文測量規(guī)范規(guī)定的一等天文方位角測量中誤差為0.5″)及更低精度的定向需求。

在室外進行天文定向時可參照文獻[1]中的技術(shù)要求，采用北極星任意時角的天文定向方法，通過觀測任意時刻北極星的水平度盤位置并記錄觀測時的協(xié)調(diào)世界時(Coordinated Universal Time,UTC)，測定目標方向的天文方位角。

采用單測站天文定向方法很難引測到室內(nèi)，為了把天文方位引測到室內(nèi)基準上，一般需要采用雙測站對向觀測方法。每半測回把天體方位直接傳遞到室內(nèi)鏡面法向上，并顧及極移改正和子午線收斂角改正。

顧及經(jīng)緯儀視軸差的高精度天文方位角觀測可按式(1)計算方位角：

(1)

其中：

p=cscZR+cscZL

Z=arccos(sinφsinδ+cosφcosδcost)

t=15×(s-α)

式中：N為天體半測回度盤觀測值；DA為一測回室內(nèi)目標度盤位置均值；L為盤左度盤位置；R為盤右度盤位置；s為觀測天體時刻的地方恒星時；α為顧及了周日視差和光行差的天體測站視赤經(jīng)；δ為顧及了周日視差和光行差的天體測站視赤緯；φ為測站天文緯度。

天文定向需要已知天文經(jīng)緯度，如果采用天文方法測定天文經(jīng)緯度,則成本很高，最有效的方法是利用GNSS偽距定位方法獲取測站的大地經(jīng)緯度。如果利用北極星時角法進行天文定向，直接采用大地經(jīng)緯度即可滿足天文定向精度要求，如果采用行星和其他遠離北天極的恒星進行高精度天文定向時，一般對天文經(jīng)緯度精度要求較高，這時可以利用式(2)進行轉(zhuǎn)換：

λ=L+ηsecφ

φ=B+ξ

(2)

式中：λ為天文經(jīng)度；φ為天文緯度；L為大地經(jīng)度；B為大地緯度；ξ為垂線偏差子午分量；η為垂線偏差卯酉分量。垂線偏差可利用重力場模型或者大地水準面模型進行計算。

由于采用雙測站對向觀測方法進行天文定向方位傳遞，在基準上測定了n測回獨立的方位觀測值，其天文定向的測定精度m評定可按式(3)計算。

(3)

式中：ms為各測回真北方位基準測定標準差；n為測回數(shù)。

2.2 GNSS同步網(wǎng)定向

高精度GNSS定向就是利用GNSS衛(wèi)星靜態(tài)載波相位相對定位方法測定方位角的方法。由于受GNSS接收機天線相位中心偏差和對中觀測誤差影響，定向精度與基線長度有關(guān)，顧及到垂線偏差和有限空間限制，一般適合精度為5″及更低精度的定向需求。這種方法除了需要GNSS接收機外，還額外需要天文定向同樣所需的準直經(jīng)緯儀，因此，這種方法并非比天文定向方法更經(jīng)濟，但基本不受天氣影響。

為了提高定向精度和可靠性，削弱對中誤差、相位中心偏差等影響，需采用布測多基線同步網(wǎng)的GNSS定向方法，同步網(wǎng)不少于3條基線，大約同步觀測60min，并采用強制對中措施。

如圖3所示，在同步三角網(wǎng)中，選擇一點作為定向觀測起始點，以2條基線作為定向觀測起始方向，其起始方向的基線長度需要滿足精度需求。

根據(jù)觀測場所環(huán)境，GNSS定向起始方向的基線長一般應(yīng)不小于：

(4)

式中：a為相位中心偏差；n為起始方位基線數(shù)，通常為2、3即可，d為定向精度；長度單位：m。一般來說天線相位中心偏差大約2～5mm，對于5″的定向精度需求，2個起始方向數(shù)的基線長度一般需要150m以上。

GNSS網(wǎng)經(jīng)過基線解算和無約束網(wǎng)平差后，可按式(5)計算所需起始方向的基線矢量方位角(非橢球面上的大地方位角)[16-17]。

(5)

式中：ΔX、ΔY、ΔZ分別為基線矢量坐標差分量；B、L分別為起始點的大地經(jīng)緯度。

根據(jù)需要，可按式(6)把大地方位角近似轉(zhuǎn)化為天文方位角。大地方位角和天文方位角之差一般可達幾個角秒甚至超過10″，其換算關(guān)系為：

a=A+ηtanφ

(6)

式中：a為天文方位角；A為大地方位角；η為垂線偏差卯酉分量，同樣可利用重力場模型或者大地水準面模型進行計算；φ為天文緯度，可以用大地緯度代替。

最后采用2臺經(jīng)緯儀對向觀測方法，把基線方位傳遞到室內(nèi)基準鏡面法向，并顧及子午線收斂角改正，注意在傳遞觀測中采取不調(diào)焦措施。

對于2個測回的GNSS三角同步網(wǎng)定向精度m的評定，顧及GNSS觀測誤差、相位中心誤差、定向引測誤差后的方位基準的最終精度，可按式(7)計算。

(7)

式中：m01、m02分別為GNSS同步網(wǎng)1、2起始方位的測定中誤差，m11、m12分別為1、2測回含有相位中心偏差的方位傳遞角度的測定中誤差；m2為標定測站的角度測定中誤差。

3 設(shè)備引北方法

設(shè)備引北方法一般采用經(jīng)緯儀對向觀測法、陀螺經(jīng)緯儀定向法、水平儀定向法。這些方法基本都是相對的定向方法，也就是從已知方向引測方位的一種方法。設(shè)備引北一般需要有引北鏡、平面鏡、定向基面諸如產(chǎn)品靠塊的支持。

3.1 經(jīng)緯儀對向觀測法

此法如同天文定向和GNSS定向中的對向觀測法，用于從已知方向引測到未知方向，并需要利用準直經(jīng)緯儀、對向觀測經(jīng)緯儀十字絲和鏡面。當2臺儀器不能直接引測到未知方向時，可增加1臺儀器，或者改變觀測順序，通過搬遷儀器，進行后續(xù)定向?qū)Ь€的方位傳遞觀測。需要說明的是，和真北方位基準標定一樣，經(jīng)緯儀需要對無窮遠調(diào)焦，一個測回觀測中是不能調(diào)焦的。此方法適用于轉(zhuǎn)臺軸向定向、真北方位標定平臺定向、慣導(dǎo)產(chǎn)品托架定向、直角棱鏡安裝校準、轉(zhuǎn)臺軸向正交性和轉(zhuǎn)動精度檢測等。

3.2 引北鏡校準

對于平面引北鏡校準可以利用準直經(jīng)緯儀或者準直平行光管，在2個相互對稱的位置上進行準直觀測，按照平均準直位置調(diào)節(jié)引北鏡，使引北鏡法向和轉(zhuǎn)臺軸向一致。對于引北鏡法向和轉(zhuǎn)臺軸向較小的偏差，以及軸向回轉(zhuǎn)偏差和非正交性偏差，可以通過觀測加以修正。

對于用于維持真北方位基準的直角棱鏡的安裝，可采用如下方法進行直角棱鏡的棱線水平性校準，以確保在不同高度上準直觀測直角棱鏡無顯著偏差。如圖4所示，分別在高點和低點兩處安置經(jīng)緯儀，利用雙測站對向觀測方法，檢測棱鏡棱線所處的水平狀態(tài)，從而在不同高度進行準直觀測，使棱鏡準直視線的方位保持一致。其原理就是假設(shè)與棱鏡等高處的經(jīng)緯儀水平準直方位角為0°，那么經(jīng)2臺儀器聯(lián)測后的棱鏡方位應(yīng)該也是0°。利用這一原理，通過反復(fù)觀測調(diào)試，使得差值控制在一定范圍之內(nèi)。

4 主要應(yīng)用實例

因篇幅所限，這里就筆者所完成的上百個真北方位基準標定和慣導(dǎo)設(shè)備引北項目中，列舉天文定向、GNSS定向、轉(zhuǎn)臺引北、直角棱鏡校準等4個典型應(yīng)用實例加以說明。

4.1 天文定向?qū)嵗?/h3>

天文定向?qū)崪y結(jié)果如表1所示，這是2017年7月20日在武漢，采用2臺0.5″Leica TM5100A的標定結(jié)果，其均值中誤差要求不超過1″，實測為0.4″。需要說明的是：本次結(jié)果與2013年底有關(guān)單位的標定結(jié)果互差+2.9″，與Gyromat 3000陀螺經(jīng)緯儀現(xiàn)場測定結(jié)果(用在北京標定的常數(shù)計算)互差-3.5″，本次結(jié)果位居中間。

表1 天文定向?qū)崪y結(jié)果

另外在2017年10月19—20日在葫蘆島，同樣利用2臺TM5100A儀器，經(jīng)過2站天文定向傳遞、2個時段僅6測回，標定的室內(nèi)2個平行光管目標和一個平面鏡目標，其真北方位結(jié)果中誤差分別高達0.17″、0.18″、0.20″，結(jié)果說明非常穩(wěn)定。

4.2 GNSS定向?qū)嵗?/h3>

GNSS定向?qū)崪y結(jié)果如表2所示，這是2016年10月20日在西安，采用國產(chǎn)2″光學(xué)準直經(jīng)緯儀和GNSS載波相位接收機的定向結(jié)果，其精度要求為10″；根據(jù)場地情況布設(shè)為同步三角網(wǎng)，使得起始方位基線盡量更長，分別為161.9m、161.6m；為了克服對中誤差的影響，采取了強制對中措施。表2中，m01=m02=1.02″，m11=2.98″、m12=1.76″，m2=0.84″，這樣大地方位基準的標定精度約為：

其中，天文方位的轉(zhuǎn)換精度約為1″，這樣最終精度約為2.3″。

表2 GNSS定向?qū)崪y結(jié)果

4.3 轉(zhuǎn)臺引北實例

轉(zhuǎn)臺引北實測結(jié)果如表3所示，這是2016年9月25日在廣州，采用2″光學(xué)準直經(jīng)緯儀對一個兩軸溫控轉(zhuǎn)臺內(nèi)框軸向的引北結(jié)果，其轉(zhuǎn)臺內(nèi)外框軸向引北精度要求為4″，實測結(jié)果顧及真北方位基準起算誤差后的精度為1.6″。內(nèi)框軸向定向是利用經(jīng)緯儀對向觀測方法，觀測貼于內(nèi)框靠塊的鏡面，從真北方位基準上引北，并對鏡面不平行性進行了修正；根據(jù)定向結(jié)果和轉(zhuǎn)臺顯示方位，計算出了兩軸轉(zhuǎn)臺內(nèi)框軸向的方位參數(shù)。

表3 轉(zhuǎn)臺軸向引北實測結(jié)果

4.4 直角棱鏡校準實例

直角棱鏡校準實例如表4所示，這是2017年2月26日在北京，采用2臺0.5″Leica TM5100A在高低點進行檢測，對直角棱鏡棱線水平校準后的互差檢測結(jié)果。

表4 直角棱鏡校準結(jié)果

5 結(jié)論和建議

大量的實測結(jié)果表明：

1) 利用天文定向、GNSS定向、經(jīng)緯儀對向觀測方法都是真北方位基準標定和設(shè)備引北的特別有效方法；

2) 采用雙測站觀測北極星，觀測3～6測回，通過2站方位傳遞，在良好的觀測環(huán)境下，一般很容易獲得高于經(jīng)緯儀標稱精度級的定向結(jié)果；

3) 在天氣許可的條件下，天文定向是真北方位基準標定最佳的首選方法；

4) 在不能采用天文定向時，顧及垂線偏差的影響和有限空間的限制，對于不超過5″的精度要求，采用基于多基線同步網(wǎng)的GNSS定向并施加垂線偏差改正的方法，也是天文定向的可替代方法。

目前，我國真北方位基準標定和慣導(dǎo)設(shè)備引北尚無專用標準可循，有關(guān)真北方位基準和設(shè)備引北檢測周期也沒有具體規(guī)定。因此，這里建議新建真北方位基準，一般經(jīng)過1年左右檢測1次；穩(wěn)定的真北方位基準，每5年檢測1次；轉(zhuǎn)臺軸向、產(chǎn)品托架和標定平臺等設(shè)備引北，每2年檢測1次；發(fā)生地震和地基沉降等形變影響時要及時檢測。